Sementfabrikker som den som er vist her er en viktig kilde til klimaoppvarmende karbondioksid. Men noen av disse forurensningene kan omdannes til en ny type drivstoff. Dette saltet kan trygt lagres i flere tiår eller lenger.
Dette er nok en historie i en serie som ser på nye teknologier og tiltak som kan bremse klimaendringer, redusere virkningene eller hjelpe lokalsamfunn med å takle en verden i rask endring.
Aktiviteter som frigjør karbondioksid (CO2), en vanlig klimagass, bidrar til oppvarming av jordens atmosfære. Ideen om å utvinne CO2 fra luften og lagre den er ikke ny. Men det er vanskelig å gjøre, spesielt når folk har råd til det. Et nytt system løser problemet med CO2-forurensning på en litt annerledes måte. Det omdanner kjemisk den klimaoppvarmende gassen til drivstoff.
Den 15. november publiserte forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge sine banebrytende resultater i tidsskriftet Cell Reports Physical Science.
Deres nye system er delt inn i to deler. Den første delen innebærer å omdanne karbondioksid fra luften til et molekyl kalt formiat for å produsere drivstoff. I likhet med karbondioksid inneholder formiat ett karbonatom og to oksygenatomer, samt ett hydrogenatom. Formiat inneholder også flere andre grunnstoffer. Den nye studien brukte formiatsalt, som er utvunnet fra natrium eller kalium.
De fleste brenselceller bruker hydrogen, en brannfarlig gass som krever rørledninger og trykktanker for transport. Brenselceller kan imidlertid også bruke formiat. Formiat har et energiinnhold som kan sammenlignes med hydrogen, ifølge Li Ju, en materialforsker som ledet utviklingen av det nye systemet. Formiat har noen fordeler fremfor hydrogen, bemerket Li Ju. Det er tryggere og krever ikke høytrykkslagring.
Forskere ved MIT laget en brenselcelle for å teste formiat, som de produserer fra karbondioksid. Først blandet de saltet med vann. Blandingen ble deretter matet inn i en brenselcelle. Inne i brenselcellen frigjorde formiatet elektroner i en kjemisk reaksjon. Disse elektronene strømmet fra den negative elektroden i brenselcellen til den positive elektroden, og fullførte en elektrisk krets. Disse flytende elektronene – en elektrisk strøm – var tilstede i 200 timer under eksperimentet.
Zhen Zhang, en materialforsker som jobber med Li ved MIT, er optimistisk med tanke på at teamet hans vil kunne skalere den nye teknologien innen et tiår.
MIT-forskerteamet brukte en kjemisk metode for å omdanne karbondioksid til en nøkkelingrediens for drivstoffproduksjon. Først eksponerte de det for en svært alkalisk løsning. De valgte natriumhydroksid (NaOH), ofte kjent som lut. Dette utløser en kjemisk reaksjon som produserer natriumbikarbonat (NaHCO3), bedre kjent som natron.
Så slo de på strømmen. Den elektriske strømmen utløste en ny kjemisk reaksjon som splittet hvert oksygenatom i natronmolekylet, og etterlot natriumformiat (NaCHO2). Systemet deres omdannet nesten alt karbonet i CO2 – mer enn 96 prosent – ​​til dette saltet.
Energien som trengs for å fjerne oksygenet lagres i de kjemiske bindingene til formiat. Professor Li bemerket at formiat kan lagre denne energien i flere tiår uten å miste potensiell energi. Det genererer deretter elektrisitet når det passerer gjennom en brenselcelle. Hvis elektrisiteten som brukes til å produsere formiat kommer fra sol-, vind- eller vannkraft, vil elektrisiteten som genereres av brenselcellen være en ren energikilde.
For å skalere opp den nye teknologien, sa Lee, «må vi finne rike geologiske ressurser av lut.» Han studerte en type bergart kalt alkalibasalt (AL-kuh-lut buh-SALT). Når disse bergartene blandes med vann, blir de til lut.
Farzan Kazemifar er ingeniør ved San Jose State University i California. Forskningen hans fokuserer på lagring av karbondioksid i underjordiske saltformasjoner. Å fjerne karbondioksid fra luften har alltid vært vanskelig og derfor dyrt, sier han. Så det er lønnsomt å omdanne CO2 til brukbare produkter som formiat. Kostnaden for produktet kan oppveie produksjonskostnadene.
Det har vært mye forskning på å fange opp karbondioksid fra luften. For eksempel beskrev et team av forskere ved Lehigh University nylig en annen metode for å filtrere karbondioksid fra luften og omdanne det til natron. Andre forskningsgrupper lagrer CO2 i spesielle bergarter, og omdanner det til fast karbon som deretter kan bearbeides til etanol, et alkoholbasert drivstoff. De fleste av disse prosjektene er småskala og har ennå ikke hatt en betydelig innvirkning på å redusere høye nivåer av karbondioksid i luften.
Dette bildet viser et hus som går på karbondioksid. Enheten som vises her omdanner karbondioksid (molekylene i de røde og hvite boblene) til et salt som kalles formiat (de blå, røde, hvite og svarte boblene). Dette saltet kan deretter brukes i en brenselcelle for å generere elektrisitet.
Kazemifar sa at det beste alternativet vårt er å «kutte klimagassutslippene først». En måte å gjøre det på er å erstatte fossilt brensel med fornybare energikilder som vind eller sol. Dette er en del av en overgang forskere kaller «dekarbonisering». Men han la til at det å stoppe klimaendringene vil kreve en mangesidig tilnærming. Denne nye teknologien er nødvendig for å fange karbon i områder som er vanskelige å dekarbonisere, sa han. Ta stålverk og sementfabrikker, for å nevne to eksempler.
MIT-teamet ser også fordeler ved å kombinere sin nye teknologi med sol- og vindkraft. Tradisjonelle batterier er designet for å lagre energi i flere uker av gangen. Å lagre sommersollys inn i vinteren eller lenger krever en annen tilnærming. «Med formiatbrensel», sa Lee, er du ikke lenger begrenset til engang sesonglagring. «Det kan være generasjonsbasert.»
Det glitrer kanskje ikke som gull, men «jeg kan arve 200 tonn … formiat til sønnene og døtrene mine», sa Lee.
Alkalisk: Et adjektiv som beskriver et kjemisk stoff som danner hydroksidioner (OH-) i løsning. Disse løsningene kalles også alkaliske (i motsetning til sure) og har en pH-verdi større enn 7.
Akvifer: En fjellformasjon som kan holde underjordiske vannreservoarer. Begrepet gjelder også for underjordiske bassenger.
Basalt: En svart vulkansk bergart som vanligvis er veldig tett (med mindre et vulkanutbrudd etterlot store lommer med gass i den).
binding: (i kjemi) en semi-permanent forbindelse mellom atomer (eller grupper av atomer) i et molekyl. Den dannes av tiltrekningskrefter mellom de deltakende atomene. Når bindinger er dannet, fungerer atomene som en enhet. For å separere de enkelte atomene må energi i form av varme eller annen stråling tilføres molekylene.
Karbon: Et kjemisk grunnstoff som er det fysiske grunnlaget for alt liv på jorden. Karbon finnes fritt i form av grafitt og diamant. Det er en viktig komponent i kull, kalkstein og petroleum, og er i stand til kjemisk selvassosiasjon for å danne et bredt utvalg av molekyler med kjemisk, biologisk og kommersiell verdi. (Innen klimaforskning) Begrepet karbon brukes noen ganger nesten om hverandre med karbondioksid for å referere til den potensielle virkningen en handling, et produkt, en politikk eller en prosess kan ha på den langsiktige oppvarmingen av atmosfæren.
Karbondioksid: (eller CO2) er en fargeløs, luktfri gass som produseres av alle dyr når oksygenet de puster inn reagerer med den karbonrike maten de spiser. Karbondioksid frigjøres også når organisk materiale, inkludert fossilt brensel som olje eller naturgass, forbrennes. Karbondioksid er en klimagass som fanger varme i jordens atmosfære. Planter omdanner karbondioksid til oksygen gjennom fotosyntese og bruker denne prosessen til å lage sin egen mat.
Sement: Et bindemiddel som brukes til å holde to materialer sammen, slik at de herder til et fast stoff, eller et tykt lim som brukes til å holde to materialer sammen. (Konstruksjon) Et finmalt materiale som brukes til å binde sand eller knust stein sammen for å danne betong. Sement lages vanligvis som et pulver. Men når det blir vått, blir det til en gjørmete slam som herder når det tørker.
Kjemisk: Et stoff som er bygd opp av to eller flere atomer bundet (kombinert) i en fast andel og struktur. For eksempel er vann et kjemisk stoff som er bygd opp av to hydrogenatomer bundet til ett oksygenatom. Den kjemiske formelen er H₂O. «Kjemisk» kan også brukes som et adjektiv for å beskrive egenskapene til et stoff som følge av ulike reaksjoner mellom ulike forbindelser.
Kjemisk binding: En tiltrekningskraft mellom atomer som er sterk nok til at de bundne elementene fungerer som en enhet. Noen tiltrekningskrafter er svake, andre er sterke. Alle bindinger ser ut til å forbinde atomer ved å dele (eller forsøke å dele) elektroner.
Kjemisk reaksjon: En prosess som involverer en omorganisering av molekylene eller strukturene til et stoff i stedet for en endring i fysisk form (f.eks. fra fast stoff til gassform).
Kjemi: den grenen av vitenskapen som studerer sammensetningen, strukturen, egenskapene og interaksjonene til stoffer. Forskere bruker denne kunnskapen til å studere ukjente stoffer, reprodusere nyttige stoffer i store mengder, eller designe og lage nye nyttige stoffer. (av kjemiske forbindelser) Kjemi refererer også til formelen til en forbindelse, metoden den fremstilles med, eller noen av dens egenskaper. Folk som jobber innen dette feltet kalles kjemikere. (i samfunnsvitenskapene) menneskers evne til å samarbeide, komme overens og trives i hverandres selskap.
Klimaendringer: En betydelig, langsiktig endring i jordens klima. Dette kan forekomme naturlig eller som et resultat av menneskelig aktivitet, inkludert forbrenning av fossilt brensel og rydding av skog.
Avkarbonisering: refererer til den bevisste overgangen bort fra forurensende teknologier, aktiviteter og energikilder som slipper ut karbonbaserte klimagasser, som karbondioksid og metan, i atmosfæren. Målet er å redusere mengden karbongasser som bidrar til klimaendringer.
Elektrisitet: Flyten av elektrisk ladning, vanligvis som følge av bevegelsen av negativt ladede partikler kalt elektroner.
Elektron: en negativt ladet partikkel som vanligvis går i bane rundt den ytre delen av et atom; den er også bærer av elektrisitet i faste stoffer.
Ingeniør: Noen som bruker vitenskap og matematikk for å løse problemer. Når ordet ingeniør brukes som et verb, refererer det til å designe en enhet, et materiale eller en prosess for å løse et problem eller et udekket behov.
Etanol: En alkohol, også kalt etylalkohol, som er basisen for alkoholholdige drikker som øl, vin og brennevin. Den brukes også som løsemiddel og drivstoff (for eksempel ofte blandet med bensin).
Filter: (n.) Noe som lar noen materialer passere og andre passere, avhengig av størrelse eller andre egenskaper. (v.) Prosessen med å velge visse stoffer basert på egenskaper som størrelse, tetthet, ladning osv. (i fysikk) En skjerm, plate eller lag av et stoff som absorberer lys eller annen stråling, eller selektivt forhindrer noen av dets komponenter fra å passere.
Format: En generell betegnelse for salter eller estere av maursyre, en oksidert form av en fettsyre. (En ester er en karbonbasert forbindelse som dannes ved å erstatte hydrogenatomene i visse syrer med visse typer organiske grupper. Mange fettstoffer og essensielle oljer er naturlig forekommende estere av fettsyrer.)
Fossilt brensel: Ethvert brensel, som kull, petroleum (råolje) eller naturgass, som ble dannet over millioner av år inne i jorden fra råtnende rester av bakterier, planter eller dyr.
Drivstoff: Ethvert stoff som frigjør energi gjennom en kontrollert kjemisk eller kjernefysisk reaksjon. Fossilt brensel (kull, naturgass og olje) er vanlige brensler som frigjør energi gjennom kjemiske reaksjoner når de varmes opp (vanligvis til forbrenningspunktet).
Brenselcelle: En enhet som omdanner kjemisk energi til elektrisk energi. Det vanligste drivstoffet er hydrogen, og det eneste biproduktet er vanndamp.
Geologi: Et adjektiv som beskriver alt som er relatert til jordens fysiske struktur, dens materialer, historie og prosessene som foregår på den. Folk som jobber innen dette feltet kalles geologer.
Global oppvarming: En gradvis økning i den totale temperaturen i jordens atmosfære på grunn av drivhuseffekten. Effekten er forårsaket av økende nivåer av karbondioksid, klorfluorkarboner og andre gasser i luften, hvorav mange slippes ut av menneskelig aktivitet.
Hydrogen: Det letteste grunnstoffet i universet. Som gass er det fargeløst, luktfritt og ekstremt brannfarlig. Det er en bestanddel av mange drivstoff, fettstoffer og kjemikaliene som utgjør levende vev. Det består av et proton (kjernen) og et elektron som kretser rundt det.
Innovasjon: (v. å innovere; adj. å innovere) En justering eller forbedring av en eksisterende idé, prosess eller et produkt for å gjøre det nyere, smartere, mer effektivt eller mer nyttig.
Lut: Den generelle betegnelsen på natriumhydroksidløsning (NaOH). Lut blandes ofte med vegetabilske oljer eller animalsk fett og andre ingredienser for å lage såpestykke.
Materialforsker: En forsker som studerer forholdet mellom atom- og molekylstrukturen til et materiale og dets generelle egenskaper. Materialforskere kan utvikle nye materialer eller analysere eksisterende. Å analysere et materiales generelle egenskaper, som tetthet, styrke og smeltepunkt, kan hjelpe ingeniører og andre forskere med å velge de beste materialene for nye bruksområder.
Molekyl: En gruppe elektrisk nøytrale atomer som representerer den minste mulige mengden av en kjemisk forbindelse. Molekyler kan være bygd opp av én type atom eller forskjellige typer atomer. For eksempel er oksygenet i luft bygd opp av to oksygenatomer (O2), og vann er bygd opp av to hydrogenatomer og ett oksygenatom (H2O).
Forurensende stoff: Et stoff som forurenser noe, for eksempel luft, vann, mennesker eller mat. Noen forurensende stoffer er kjemikalier, som plantevernmidler. Andre forurensende stoffer kan være stråling, inkludert overdreven varme eller lys. Selv ugress og andre invaderende arter kan betraktes som en form for biologisk begroing.
Potent: Et adjektiv som refererer til noe som er veldig sterkt eller kraftig (som en bakterie, gift, medisin eller syre).
Fornybar: Et adjektiv som refererer til en ressurs som kan erstattes på ubestemt tid (som vann, grønne planter, sollys og vind). Dette står i kontrast til ikke-fornybare ressurser, som har en begrenset forsyning og effektivt kan bli uttømt. Ikke-fornybare ressurser inkluderer olje (og andre fossile brensler) eller relativt sjeldne grunnstoffer og mineraler.